一项新研究称，来自远方风暴的侧信道信号和闪电，未来或许有助于防止黑客破坏电力变电站及其他关键基础设施。
安全人员可以利用独立监测系统，分析变电站部件发出的电磁信号，以判断黑客是否正通过远程设备篡改开关和变压器。
来自数千英里外的背景闪电信号可用于验证这些信号，从而防止恶意行为者向系统中注入虚假监测信息。
研究人员已在两家不同电力公司的变电站对该构想进行了测试，并开展了大量建模与仿真。他们在2019年于圣地亚哥举行的网络与分布式系统安全研讨会上介绍了该技术，即基于射频的分布式入侵检测系统（RFDIDS）。
“我们应当能够远程探测任何改变变电站部件周围磁场的攻击，”佐治亚理工学院电气与计算机工程学院教授、Fortiphyd Logic, Inc. 联合创始人Raheem Beyah表示，“我们正在利用一种物理现象，来判断变电站是否发生了某一特定操作。”
2015年攻击事件
断开变电站断路器以造成停电，是对电网的一种潜在攻击方式。2015年12月，攻击者利用这一手段，使乌克兰23万人的供电中断。攻击者断开了30座变电站的断路器，并侵入监测系统，误导电网运营商以为电网运行正常。更有甚者，攻击者还攻击了呼叫中心，阻止客户将实际情况告知运营商。
“电网规模庞大，因此很难确保其安全，”Beyah表示，“它将发电站与家中的电器连接起来。正是由于这种电气连接，黑客可能在许多位置植入攻击。因此，我们需要一种独立的方式，来了解电网系统中正在发生的情况。”
这一独立方法将使用位于变电站内部或附近的天线，探测设备产生的独特射频“侧信道”特征信号。该监测将独立于当前用于监控和管理电网的系统运行。
“在完全不依赖电网中任何系统的前提下，我们可以使用射频接收器，判断是否出现了形如“断开”操作的脉冲，”Beyah表示，“该系统在60赫兹下运行，而在这一频率下运行的其他系统很少，因此我们可以确保所监测的对象无误。”
闪电回波
不过，黑客或许能够找到方法，植入虚假信号以掩盖其攻击行为。而这正是被称为“天电”（sferics）的闪电辐射发挥作用之处。
“闪电击中地面时，会形成一条高达数英里的电气通道，可能携带数十万安培的电流，因此它构成了一个能够辐射能量的强大天线，”电气与计算机工程副教授Morris Cohen表示。每次闪电都会在甚低频（VLF）频段产生信号，这些信号可以从高层大气反射，并传播很远的距离。
“闪电产生的信号可以来回曲折传播，并一路绕过地球，”Cohen表示，“例如，来自南美洲的闪电在亚特兰大很容易被探测到。我们甚至还观测到闪电在全球范围内多次回波。”
远程监控变电站的安全人员，可以将60赫兹变电站信号背后的闪电数据，与其他来源的闪电数据进行比对，例如美国约7万座其他变电站之一的数据，或全球闪电数据库。这将对信息进行验证。Cohen指出，由于闪电平均每天发生超过300万次，因此有充足的机会进行验证。
“即使能够以数字方式合成射频接收器的数据馈送，要生成逼真的数据也很困难，因为我们的接收器探测到的闪电脉冲形态，会随闪电距离、一天中的时间、纬度等因素而变化，”Cohen表示，“要合成闪电信号，需要大量实时计算以及复杂的物理知识。”
关键电网
研究人员与两家不同的电力公司合作，分析了变电站检修时断开断路器所产生的射频信号。他们还利用计算机仿真，研究了针对系统的潜在攻击。
“闪电击打产生的信号非常独特——它持续时间短，约为一毫秒，并覆盖极宽的频率范围，”Cohen表示，“地球上已知唯一能产生类似信号的其他过程是核爆炸。电网产生的辐射则截然不同，且均不具备闪电脉冲的特征，因此很容易将两者区分开来。”
研究人员已就RFDIDS提交了临时专利申请，并希望进一步完善这一安全策略，该策略独立于设备制造商。Beyah认为，对其他射频发射设备进行远程监测的应用前景可超越电力行业。例如，该系统可以告知交通运营商列车是否在场。
“电网是我们最关键的基础设施，”Beyah表示，“如果没有电力，其他一切都无从谈起。”
